ZigBee 标准概述 ZigBee 协议框架

ZigBee 标准概述

ZigBee 技术在 IEEE 802.15.4 的推动下，不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等

传统领域取得了成功的应用，在未来其应用可能涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域，真正实现无处不在的网络。ZigBee 技术是一组基于 IEEE 802.15.4 无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，无线个人局域网工作组 IEEE802.15.4 技术标准是 ZigBee 技术的基础，ZigBee 技术建立在 IEEE 802.15.4 标准之上，IEEE 802.15.4 只处理低级 MAC 层和物理层协议，ZigBee 联盟对其网络层协议和 API进行了标准化。

ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器）、间歇性数据（如照明控制）和重复低反应时间数据（如鼠标）。

其目标功能是自动化控制。它采用跳频技术，使用的频段分别为 2.4GHz（ISM），868MHz（欧洲）及 915MHz（美国），而且均为免执照频段，有效覆盖范围为 10～275m。当网络速率降低到 28kb/s 时，传输范围可以扩大到 334m，具有更高的可靠性。

ZigBee 标准是一种新兴的短距离无线网络通信技术，它是基于 IEEE 802.15.4 协议栈，主要是针对低速率的通信网络设计的。它功耗低，是最具有可能应用在工控场合的无线方式。它和 2.4GHz 频带提供的数据传输速率为 250kb/s，915MHz 频带提供的数据传输速率为 40kb/s，而 868MHz 频带提供的数据传输速率为 20kb/s。另外，它可与 254 个包括仪器和家庭自动化应用设备的节点联网。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。ZigBee 体系结构如图 所示。

ZigBee 技术特点

ZigBee 是一种无线连接，可工作在 2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和 915MHz（美国流行）三个频段上，分别具有最高 250kb/s、20kb/s 和 40kb/s 的传输速率，它的传输距离在 10～75m 的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee 自身的技术优势主要表现在以下几个方面。

1．功耗低

ZigBee 网络节点设备工作周期较短、收发数据信息功耗低，且使用了休眠模式（当不需接收数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由“协调器”唤醒它们），因此，ZigBee技术特别省电，据估算，ZigBee 设备仅靠两节 5 号电池就可以维持长达 6 个月到两年左右的使用时间，这是其他无线设备望尘莫及的，避免了频繁更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担。

2．成本低

由于 ZigBee 协议栈设计非常简单，所以其研发和生产成本较低。普通网络节点硬件只需 8 位微处理器，4～32KB 的 ROM，且软件实现也很简单。随着产品产业化，ZigBee 通信模块价格预计能降到 10 元人民币，并且 ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于 ZigBee也是一个关键的因素。

3．可靠性高

由于采用了碰撞避免机制并且为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了收

发数据时的竞争和冲突，且 MAC 层采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，所以从根本上保证了数据传输的可靠性。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

4．容量大

一个 ZigBee 网络最多可以容纳 254 个从设备和 1 个主设备，一个区域内最多可以同时存在 100 个 ZigBee 网络，而且网络组成灵活。

5．时延小

ZigBee 技术与蓝牙技术的时延相比，其各项指标值都非常小。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延 30ms，而蓝牙为 3～10s。休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为 15ms。因此 ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

6．安全性好

ZigBee 技术提高了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法使用 AES-128，且各应用可以灵活地确定安全属性，从而使网络安全能够得到有效的保障。

7．有效范围小

有效覆盖范围在 10～75m 之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

8．兼容性

ZigBee 技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采

用载波侦听／冲突检测（CSMACA）方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

ZigBee 具有广阔的应用前景。ZigBee 联盟预言在未来的 4 到 5 年，每个家庭将拥有 50个 ZigBee 器件，最后将达到每个家庭 150 个。据估计，ZigBee 市场价值将超过数亿美元/年。其应用领域如图 所示。

（1）家庭和楼宇网络。通过ZigBee网络，可以远程控制家里的电器、门窗等；可以方便地实现水、电、气三表的远程自动抄表；通过一个ZigBee遥控器，控制所有的家电节点。未来的家庭将会有50～100个支持ZigBee的芯片安装在电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房机械中，为实现远程控制服务。

（2）工业控制。在工业自动化领域，利用传感器和 ZigBee 网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如，危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护等。

（3）公共场所。例如，烟雾探测器等。

（4）农业控制。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和 ZigBee 网络后，农业将可以逐渐地向以信息和软件为中心的生产模式转化，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可以收集包括土壤湿度、氮浓度、pH 值、降水量、温湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由 ZigBee 网络传递到中央控制设备供农民决策和参考，这样就能够及早而准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。

（5）医疗。借助于各种传感器和 ZigBee 网络，准确且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护治疗。老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。

（6）商业。例如智慧型标签等。

ZigBee 协议框架

ZigBee 堆栈是在 IEEE 802.15.4 标准基础上建立的，定义了协议的 MAC 和 PHY 层。ZigBee 设备应该包括 IEEE 802.15.4（该标准定义了 RF 射频以及与相邻设备之间的通信）的 PHY 和 MAC 层，以及 ZigBee 堆栈层：网络层（NWK）、应用层和安全服务提供层。

完整的 ZigBee 协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成，如图所示。

ZigBee 协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由 ZigBee 联盟制定。物理层和

MAC 层由 IEEE 802.15.4 标准定义。在 MAC 子层上面提供与上层的接口，可以直接与网络层连接，或者通过中间子层 SSCS 和 LLC 实现连接。ZigBee 联盟在 802.15.4 基础上定义了网络层和应用层。其中，安全层主要实现密钥管理、存取等功能。应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持（Application Sub-layer Support，APS）、ZigBee 设备对象（ZigBee Device Object，ZDO）等，实现应用层对设备的管理。